淺談學(xué)習(xí)進(jìn)階視域下的實驗教學(xué)

王振 張明月 胡志剛

摘要： 借鑒學(xué)習(xí)進(jìn)階理論應(yīng)用于實驗教學(xué)，把“空氣中氧氣含量的測定”實驗教學(xué)劃分為從低到高的四個階段（原點(diǎn)階段；相關(guān)知識點(diǎn)階段；知識網(wǎng)連接階段；知識網(wǎng)拓展階段）。從點(diǎn)燃方式的改進(jìn)和反應(yīng)物的選擇，介紹知識網(wǎng)連接階段；從實驗的拓展和遷移，介紹知識網(wǎng)拓展階段。進(jìn)階式實驗教學(xué)能激活學(xué)生創(chuàng)新思維，提升實驗教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)實驗的深度學(xué)習(xí)，進(jìn)一步改進(jìn)教學(xué)關(guān)系。

關(guān)鍵詞： 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論； 實驗教學(xué)； 空氣中氧氣含量的測定； 實驗創(chuàng)新

文章編號： 1005-6629（2018）4-0050-07 中圖分類號： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

學(xué)習(xí)進(jìn)階（LPs）理論[1～2]認(rèn)為學(xué)科知識和技能的學(xué)習(xí)是分階段和有明確路徑的。學(xué)習(xí)進(jìn)階作為改善學(xué)生認(rèn)識思維發(fā)展，促進(jìn)知識整合及深層理解的一項研究成果，在國外已有十余年的研究歷史，而我國正處于剛剛興起階段[3]。在國內(nèi)化學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)教育研究文獻(xiàn)中，研究者大多從初中、高中和大學(xué)教材涉及的核心概念和原理的銜接進(jìn)行研究[4～8]。本文借鑒學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，嘗試應(yīng)用于實驗教學(xué)，把實驗劃分為由低到高的學(xué)習(xí)進(jìn)階階段，逐步激活學(xué)生的思維，滲透創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提升實驗教學(xué)的質(zhì)量，最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的目標(biāo)。

“空氣中氧氣含量的測定”是初中生首次從化學(xué)的視角研究身邊熟悉的事物，這為物質(zhì)的分類做了鋪墊，也為后續(xù)系統(tǒng)化的研究物質(zhì)奠定了基礎(chǔ)，所以教材中往往把這個實驗放在比較靠前的位置。以人教版義務(wù)教育教科書《化學(xué)》[9]為例，“空氣中氧氣含量的測定”被安排在第二單元的課題1中，是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究后的第一個嚴(yán)格意義上的探究實驗，而且是第一次定量化測量看不見的氣體，需要借助物理學(xué)壓強(qiáng)知識，把不能看到的實驗結(jié)果轉(zhuǎn)化為可以看到的實驗現(xiàn)象。但受制于學(xué)生剛接觸化學(xué)、化學(xué)知識尚且匱乏、課堂教學(xué)時間有限和教學(xué)進(jìn)度的要求等影響，實驗創(chuàng)新往往是局限于教師演示實驗，學(xué)生實驗創(chuàng)新卻無從下手。按進(jìn)階式的實驗教學(xué)，教師有意識地在教學(xué)不同階段中逐步滲透實驗創(chuàng)新思想，潛移默化地影響和調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)新意識。復(fù)習(xí)實驗時，當(dāng)學(xué)生躍躍欲試，教師可提供學(xué)生動手的機(jī)會，促進(jìn)實驗的深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生從一個實驗的研究遷移到一類問題的研究上，引導(dǎo)學(xué)生向高階思維發(fā)展。

1 “空氣中氧氣含量的測定”的學(xué)習(xí)階段

結(jié)合初中生特點(diǎn)和初中化學(xué)課程的內(nèi)容，擬出從低到高四種階段和相關(guān)內(nèi)容，見表1。水平1是原點(diǎn)階段，主要讓剛接觸化學(xué)的學(xué)生體驗科學(xué)探究過程，理解和掌握測量空氣中氧氣含量的原理和方法，熟悉基本的化學(xué)實驗技能和方法，端正學(xué)習(xí)化學(xué)的態(tài)度。水平2是相關(guān)知識點(diǎn)學(xué)習(xí)階段，主要對其他章節(jié)相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)，相關(guān)知識點(diǎn)越豐富越熟練，對后面知識的實驗創(chuàng)新和融合越有利。水平3是知識網(wǎng)連接階段，把前兩種水平中孤立、零碎和局部化的知識進(jìn)行整合，引導(dǎo)學(xué)生積極主動地為解決問題搭建知識網(wǎng)，激活學(xué)生的創(chuàng)新意識。水平4是知識網(wǎng)拓展階段，完善知識網(wǎng)絡(luò)化體系，進(jìn)一步提高實驗?zāi)芰蛣?chuàng)新能力，側(cè)重于方法原理的遷移和歸納。水平1、2，屬于常規(guī)教學(xué)范疇，囿于版面限制不再贅述。

2 “空氣中氧氣含量的測定”知識網(wǎng)連接階段的實驗創(chuàng)新綜述

教材中測定空氣中氧氣含量的實驗，見圖1。實際操作中，氧氣往往達(dá)不到占空氣體積1/5的

表1 “空氣中氧氣含量的測定”實驗的不同學(xué)習(xí)水平和階段

理想值，除了裝置氣密性因素外，主要存在三方面的不足： （1）點(diǎn)燃方式： 點(diǎn)燃燃燒匙里的紅磷，伸入集氣瓶到塞好瓶塞，瓶內(nèi)空氣會因受熱而逸出部分空氣，從而使實驗產(chǎn)生誤差。（2）藥品選擇： 教材里選擇的是紅磷燃燒的方法，紅磷是學(xué)生陌生的藥品。（3）環(huán)保角度： 藥品用量多浪費(fèi)藥品，且紅磷燃燒生成的五氧化二磷，易與水蒸氣結(jié)合生成有毒的偏磷酸，污染環(huán)境，危害師生健康。

圖1 教材中測定空氣中氧氣含量的裝置

2.1 基于燃燒條件改進(jìn)點(diǎn)燃方式

人教版第七單元課題1中燃燒條件： ①達(dá)到燃燒所需的最低溫度（著火點(diǎn)）；②可燃物；③氧氣。根據(jù)燃燒的條件，改進(jìn)點(diǎn)燃方式，在密閉的條件下點(diǎn)燃紅磷，避免在開放體系下點(diǎn)燃紅磷造成的污染和誤差。通過電烙鐵或者利用通電后電阻絲發(fā)熱點(diǎn)燃紅磷，見圖2。溫度只要達(dá)到紅磷的著火點(diǎn)就可以燃燒，不一定要接觸，所以可用激光筆照射點(diǎn)燃紅磷，見圖3[13]。

圖2 電烙鐵點(diǎn)燃紅磷

圖3 激光筆點(diǎn)燃紅磷

把紅磷（著火點(diǎn)240℃）改成著火點(diǎn)更低的白磷（著火點(diǎn)40℃），點(diǎn)燃的方式更多，如利用放大鏡聚焦太陽光點(diǎn)燃，見圖4；利用80℃左右的熱水點(diǎn)燃，見圖5；利用金屬的導(dǎo)熱點(diǎn)燃，見圖6。

圖4 太陽能點(diǎn)燃白磷

圖5 熱水點(diǎn)燃白磷

圖6 金屬導(dǎo)熱點(diǎn)燃白磷

2.2 基于消耗氧氣選擇反應(yīng)物

空氣中氧氣含量的測定原理： 氧氣減少的體積等于倒吸進(jìn)入瓶中水的體積。學(xué)生的認(rèn)知中可以消耗氧氣的方式有： 燃燒消耗氧氣；動植物呼吸作用；鐵生銹等。課本選擇紅磷燃燒測定空氣中氧氣的含量，是因為紅磷燃燒消耗氧氣而不產(chǎn)生其他氣體。實際教學(xué)中教師常強(qiáng)調(diào)藥品不能選擇炭、硫磺的燃燒，經(jīng)過大量的習(xí)題強(qiáng)化訓(xùn)練往往形成思維定勢。某種程度上，化學(xué)就是用思維和實驗結(jié)合的方法研究物質(zhì)的科學(xué)，復(fù)習(xí)中需要引導(dǎo)學(xué)生用已經(jīng)學(xué)習(xí)的知識再次思考反應(yīng)物的選擇，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，避免形成思維定勢。以下提供四種不同的反應(yīng)物來測量空氣中氧氣含量。

選擇一： 蠟燭燃燒法

常規(guī)的思路是石蠟燃燒消耗了氧氣，但生成了二氧化碳?xì)怏w，因而不能用來測量空氣中的氧氣。突破思維定勢，利用蠟燭燃燒消耗氧氣，生成的二氧化碳?xì)怏w用氫氧化鈉溶液來吸收，以水面上升的高度測出氧氣的體積[14]，見圖7。

圖7 蠟燭燃燒法

選擇二： 鐵吸氧腐蝕法

常規(guī)思路是不能利用鐵絲的燃燒來測定空氣中氧氣的含量，因為鐵絲在空氣中無法燃燒。目的是測定氧氣的含量，不一定非要燃燒起來，只要物質(zhì)能耗盡氧氣就可以。選擇用4mL 1mol/L食鹽水潤濕的濾紙貼在250mL廣口瓶內(nèi)側(cè)，把2.0g還原鐵粉和2.5g活性炭粉攪拌混勻。把廣口瓶橫放，一邊轉(zhuǎn)動，一邊將鐵粉和炭粉的混合物倒入廣口瓶內(nèi)壁，盡可能使其均勻地附著在內(nèi)壁的濾紙上。蓋上瓶塞，約4分鐘后打開止水夾，會看到水倒吸進(jìn)入廣口瓶約1/5處[15]，見圖8。

圖8 鐵的吸氧腐蝕法

選擇三： 種子呼吸法

在以往生物課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)知道種子萌發(fā)的過程中呼吸需要消耗大量的氧氣，產(chǎn)生二氧化碳。用25粒左右萌發(fā)的種子放在帶孔的隔板上，隔板下放有一定量濃的氫氧化鈉溶液，利用氫氧化鈉溶液吸收種子呼吸釋放的二氧化碳，引起壓強(qiáng)差使水倒吸進(jìn)入瓶中，也可以用來測量氧氣的含量，見圖9。

圖9 種子呼吸法

選擇四： 自制耗氧物質(zhì)法

化學(xué)是一門研究物質(zhì)的科學(xué)，它的魅力在于不僅能合成自然界已有的物質(zhì)，而且能合成自然界沒有的物質(zhì)，通過物質(zhì)的合成服務(wù)、造福于人。通過實驗合成易吸收氧氣的物質(zhì)（多硫化物或焦性沒食子酸等），使用這些物質(zhì)來測定空氣中氧氣的含量。如自制多硫化鈉測定空氣中氧氣含量[16]，取1g NaOH和1g硫磺粉充分研磨后加熱，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： 6NaOH+（2x+2）S△2Na2Sx+Na2S2O3+3H2O

，待冷卻后，取約0.5g混合藥品于試管中，向試管中加入約10mL水，蓋上橡皮塞在試管外作個標(biāo)記，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)： 2Na2Sx+O2+2H2O2xS↓+4NaOH

。振蕩試管約1分鐘后，把試管在水槽中拔下橡皮塞，水倒吸上來，在試管上做個標(biāo)記，氧氣含量=h1-h2h1×100%，見圖10。

圖10 多硫化鈉測空氣中氧氣含量的操作示意圖

3 “空氣中氧氣含量的測定”知識網(wǎng)拓展階段

3.1 “空氣中氧氣含量的測定”實驗的拓展

實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。實驗操作的體驗感，歷經(jīng)艱難解開真理面紗的過程和得出實驗成果的喜悅，就是化學(xué)學(xué)科獨(dú)特的魅力所在。鼓勵學(xué)生敢于改進(jìn)實驗，在學(xué)生想到可行的、創(chuàng)新的想法和方案躍躍欲試時，教師要給予肯定并提供相應(yīng)的幫助。如學(xué)生用“熱貼”中的鐵粉改進(jìn)實驗，一組用注射器（注射器由于具有刻度、密封性、可加壓可減壓等性能，常用在改進(jìn)實驗、微型化實驗、定量化實驗等方面）改進(jìn)，另一組用礦泉水瓶（礦泉水瓶由于具有透明、密封、質(zhì)軟、受外力易形變等特點(diǎn)，常用于初中化學(xué)實驗[17]）改進(jìn)實驗，見表2。

表2 學(xué)生改進(jìn)實驗方案

對比兩種實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)實驗結(jié)果和理論值相差很大。以礦泉水瓶的誤差為例，學(xué)生做出一些猜想：

猜想1： 裝置氣密性不好，瓶蓋沒有蓋好。補(bǔ)救措施： 裝好藥品后，立即蓋緊瓶蓋。

猜想2： 變癟后的礦泉水瓶在水槽中沒有完全復(fù)原。補(bǔ)救措施： 換成硬度更好的礦泉水瓶，復(fù)原后再移出水槽。

猜想3：“熱貼”中物質(zhì)不能將裝置內(nèi)的氧氣消耗光。補(bǔ)救措施： 教師借助于數(shù)字化的O2傳感器協(xié)助學(xué)生再次探究“熱貼”粉耗氧量，11分鐘時，氧氣含量降為0.7%。

3.2 “空氣中氧氣含量的測定”實驗的遷移

深度學(xué)習(xí)“空氣中氧氣含量的測定”實驗，進(jìn)而拓展到測定混合物中某種物質(zhì)含量的一般研究思路，見圖11。首先要掌握各成分相關(guān)物質(zhì)的性質(zhì)，利用待測物和其他成分性質(zhì)的差異，選擇相應(yīng)的方法分離或轉(zhuǎn)化某一成分，進(jìn)行測量得到間接量，最后借助儀器和計算等把間接量轉(zhuǎn)化為可視化的數(shù)據(jù)，從而得出混合物中某成分的含量。教師引導(dǎo)學(xué)生歸納氣相混合物中組分含量測定的方法，遷移到初中階段其他相態(tài)組分含量的測定，見表3。又如把測量空氣中氧氣的一般方法，遷移到如何把看不見轉(zhuǎn)化為看得見的實驗（證明鹽酸和氫氧化鈉中和反應(yīng)確實發(fā)生了；證明二氧化碳確實和氫氧化鈉發(fā)生了反應(yīng)；證明分子確實是存在的等），促進(jìn)學(xué)生對實驗進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，并把學(xué)習(xí)提向高階層次。

圖11 測定混合物中某組分含量的研究思路圖

表3 初中階段混合物成分含量的測定

續(xù) 表

4 思考和啟示

4.1 借鑒學(xué)習(xí)進(jìn)階提升實驗教學(xué)和復(fù)習(xí)質(zhì)量

有的教師在新課教學(xué)時，教學(xué)目標(biāo)超越了學(xué)生最近發(fā)展區(qū)，為了實驗的創(chuàng)新而“創(chuàng)新”，卻發(fā)現(xiàn)學(xué)生呆若木雞不知教師所云。再如實驗復(fù)習(xí)時，不少教師往往把相關(guān)知識點(diǎn)重復(fù)強(qiáng)化記憶，大量習(xí)題鞏固，師生俱疲，事倍功半，學(xué)生實驗?zāi)芰σ矝]太大的進(jìn)步。筆者認(rèn)為之所以出現(xiàn)這種狀況，可能是因為教師忽略了學(xué)生的階段發(fā)展規(guī)律，忽略了學(xué)生已有知識和未知知識的距離，以及怎樣建立已知和未知的聯(lián)系，在實驗創(chuàng)新上尤其明顯。我們借鑒“學(xué)習(xí)進(jìn)階”理論分階段地促進(jìn)知識整合及深層理解，指導(dǎo)學(xué)生分階段的進(jìn)行實驗深度學(xué)習(xí)，學(xué)生創(chuàng)新思維，不斷交流碰撞，有時會帶來意想不到的收獲。

4.2 借鑒進(jìn)階理論改進(jìn)教學(xué)關(guān)系

進(jìn)階理論強(qiáng)調(diào)學(xué)生發(fā)展的階段性，要想學(xué)生主體性得到最大程度的發(fā)揮，離不開教師主導(dǎo)作用的發(fā)揮，兩者辯證統(tǒng)一于學(xué)生的發(fā)展。教師主導(dǎo)給學(xué)生指明了發(fā)展的方向，而且需要教師高瞻遠(yuǎn)矚地走在學(xué)生發(fā)展的前面。學(xué)生主體性作用的發(fā)揮，需要建立在相應(yīng)知識體系的基礎(chǔ)上，離開相關(guān)基本知識的實驗“創(chuàng)新”就成了無源之水、無本之木。學(xué)生基礎(chǔ)知識的掌握需要教師主導(dǎo)，而教師主導(dǎo)是為了學(xué)生的主體作用在實驗創(chuàng)新階段有更好的發(fā)揮，在實驗創(chuàng)新后學(xué)生要想進(jìn)一步獲得發(fā)展，離不開教師的指引和啟發(fā)。教師的幫助，不僅能增進(jìn)師生之間的情誼，而且使實驗后的總結(jié)和拓展效果更好。

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